WO2018070113A1 - 電位検出基板および電位計測装置 - Google Patents

電位検出基板および電位計測装置 Download PDF

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potential detection
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瑛子 平田
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ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
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    • G—PHYSICS
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    • G01N27/416—Systems

Definitions

  • the present disclosure relates to a potential detection substrate and a potential measurement device including the same.
  • the minute voltage generated from the liquid sample is, for example, about 50 to 60 mV, and the potential difference that can be detected by the potential sensor through the medium is, for example, only 10 mV or less. For this reason, it is preferable to prevent a minute potential difference, for example, about 10 mV or less from being buried in noise.
  • the electrochemical resistance is preferably as low as possible.
  • the electrochemical resistance be as uniform as possible for each electrode. Therefore, it is desirable to provide a potential detection substrate capable of suppressing a minute potential difference from being buried in noise and a potential measurement device including the potential detection substrate.
  • the first potential detection substrate is for detecting the potential of the liquid sample.
  • the first potential detection substrate includes one or a plurality of electrodes and a plurality of wirings connected to each electrode on the substrate.
  • Each electrode has a concavo-convex surface in which one or a plurality of concave portions are formed by patterning.
  • the width of the one or more recesses is wider than twice the thickness of the electric double layer formed in contact with the uneven surface.
  • a first potential measurement device includes a potential detection substrate for detecting a potential of a liquid sample, and a signal processing unit that processes a potential signal detected by the potential detection substrate. .
  • the potential detection substrate has the same components as the first potential detection substrate.
  • each electrode has an uneven surface formed by patterning.
  • corrugation can be easily set to a desired magnitude
  • the width of the one or more recesses included in the uneven surface is more than twice the thickness of the electric double layer formed in contact with the uneven surface. It is getting wider. Thereby, an electric double layer can be formed following the uneven surface. As a result, the surface area of the electric double layer can be increased as compared with the case where the uneven surface is formed of a porous material.
  • the second potential detection substrate is for detecting the potential of the liquid sample.
  • the second potential detection substrate includes a plurality of electrodes and a plurality of wirings connected to each electrode on the substrate.
  • Each electrode has a concavo-convex surface in which one or a plurality of concave portions are formed by patterning.
  • the layout or density of the one or more recesses is the same for each electrode.
  • a second potential measurement device includes a potential detection substrate for detecting a potential of a liquid sample, and a signal processing unit that processes a potential signal detected by the potential detection substrate. .
  • the potential detection substrate has the same components as those of the second potential detection substrate.
  • each electrode has an uneven surface formed by patterning.
  • corrugation can be easily set to a desired magnitude
  • the layout or density of one or more recesses is equal to each other for each electrode. Thereby, the surface area of the electric double layer can be made more uniform for each electrode as compared with the case where the uneven surface is formed of a porous material.
  • the third potential detection substrate is for detecting the potential of the liquid sample.
  • the third potential detection substrate includes a plurality of electrodes and a plurality of wirings connected to each electrode on the substrate.
  • Each electrode has a concavo-convex surface in which one or a plurality of concave portions are formed by patterning.
  • the width of the one or more recesses is such that the number of recesses included in the uneven surface and the number of recesses included in the surface of the electric double layer formed in contact with the uneven surface are equal to each other. .
  • a third potential measurement device includes a potential detection substrate for detecting a potential of a cell or a drug solution, and a signal processing unit that processes a potential signal detected by the potential detection substrate. Yes.
  • the potential detection substrate has the same components as the third potential detection substrate.
  • each electrode has an uneven surface formed by patterning.
  • corrugation can be easily set to a desired magnitude
  • the width of the one or more recesses is formed on the number of the recesses included in the uneven surface and the surface of the electric double layer formed in contact with the uneven surface. The size is such that the number of recesses included is equal to each other. Thereby, the surface area of an electric double layer can be enlarged compared with the case where an uneven surface is formed with porous.
  • the uneven surface is made porous.
  • the surface area of the electric double layer can be made more uniform for each electrode, so that the electrochemical resistance is reduced to the extent that a minute potential difference is not buried in noise. Can be made uniform. As a result, it is possible to suppress a minute potential difference from being buried in noise.
  • the effect of this indication is not necessarily limited to the effect described here, Any effect described in this specification may be sufficient.
  • FIG. 3 is an enlarged view illustrating an electrode group portion of the potential detection substrate of FIG. 2. It is a figure showing the cross-sectional structural example of the electric potential detection board
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration example of two electrodes adjacent to each other in FIG. 3.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a top surface configuration example of a concave portion of the electrode of FIGS. It is a figure showing the cross-sectional structural example for demonstrating the manufacturing method of the electrode of FIG. It is a figure showing an example of the manufacturing process following Drawing 11A. It is a figure showing an example of the manufacturing process following Drawing 11B. It is a figure showing the cross-sectional structural example for demonstrating the manufacturing method of the electrode of FIG. It is a figure showing an example of the manufacturing process following Drawing 12A. It is a figure showing an example of the manufacturing process following Drawing 12B. It is a figure showing the modification of the electrode of FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration example of a potential measuring apparatus 1 according to the present embodiment.
  • the potential measuring apparatus 1 is an apparatus for measuring, for example, the potential of a liquid sample, determining physical properties of the liquid sample from the measurement result, and determining the type of cells or the like contained in the liquid sample.
  • Examples of the solvent material contained in the liquid sample include a culture solution containing NaCl in the range of 0.8 to 1.0 W / V%.
  • the potential measurement apparatus 1 includes, for example, a potential detection substrate 10 for detecting the potential of a liquid sample, a measurement unit signal processing unit 20 that processes a potential signal 10A detected by the potential detection substrate 10, and a measurement unit signal processing unit. And a display unit 30 for displaying the processing result at 20.
  • FIG. 2 shows an example of a planar configuration of the potential detection substrate 1.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the electrode group 12E (described later) portion of the potential detection substrate 1.
  • FIG. 4 illustrates a cross-sectional configuration example of the potential detection substrate 10.
  • the potential detection substrate 1 includes, for example, an electrode group 12E at the center of the upper surface of the substrate 11.
  • the electrode group 12 ⁇ / b> E includes a plurality of electrodes 12 arranged in a matrix with a predetermined gap therebetween.
  • the electrode group 12E for example, 64 electrodes 12 are arranged in an 8 ⁇ 8 matrix.
  • the size of each electrode 12 is, for example, about 50 ⁇ m square.
  • the gap between the two electrodes 12 adjacent to each other is, for example, about 150 ⁇ m.
  • the size of the electrode group 12E at this time is, for example, about 1 ⁇ 1 mm square.
  • one or a plurality of reference electrodes are arranged around the electrode group 12E (for example, in the diagonal direction of the electrode group 12E in the drawing).
  • the potential detection substrate 10 includes, for example, a plurality of electrodes 12 on the substrate 11, a plurality of wirings 13 connected to each electrode 12, and a pad 15 connected to the tip of each wiring 13 one by one. And have.
  • Each wiring 13 serves as a lead wiring from the electrode 12.
  • the pad 15 serves as a terminal electrode for connecting the potential detection substrate 1 to an external circuit.
  • one end is connected to the electrode 12 and the other end is connected to the pad 15.
  • the potential detection substrate 10 may further include, for example, a base layer 14 in a portion corresponding to a position directly below the electrode 12 in each wiring 13.
  • the underlayer 14 is for improving the adhesion between the electrode 12 and the wiring 14, and is disposed between the electrode 12 and the wiring 13.
  • the electric double layer 120 is a layer generated on the surface of each electrode 12 by positive and negative ions contained in the liquid sample.
  • the thickness T1 of the electric double layer 120 is represented by the following formula, for example.
  • T1 ⁇ ( ⁇ 0 ⁇ 1 kT) / 2 ⁇ nz 2 e 2 ) ⁇ 0 : dielectric constant in vacuum
  • ⁇ 1 relative dielectric constant of medium
  • k Boltzmann constant
  • T temperature
  • n ion density
  • ion valence e elementary electric charge
  • FIG. 8 shows a cross-sectional configuration example of two electrodes 12 adjacent to each other in FIG.
  • FIG. 8 illustrates a state in which the electric double layer 120 is formed on the surface of the electrode 12 (uneven surface 12S).
  • Each electrode 12 has an uneven surface 12S in which one or a plurality of recesses 12A are formed by patterning.
  • the width of one or the plurality of recesses 12A is wider than D1 and twice the thickness T1 of the electric double layer 120 formed in contact with the uneven surface 12S.
  • the cross-sectional shape of the recess 12A is not particularly limited.
  • the cross-sectional shape of the recess 12A may be rectangular, for example, as shown in FIGS. 5, 7, and 8, or may be elliptical, for example, as shown in FIG. Good.
  • the depths of the recesses 12A are preferably equal to each other.
  • the number of recesses 12A included in the uneven surface 12S is equal to the number of recesses 120A included in the surface of the electric double layer 120 formed in contact with the uneven surface 12S. Such a size is preferable.
  • the width D1 indicates the width at the opening end of the recess 12A.
  • the recess 120A is generated inside the recess 12A when the electric double layer 120 is formed following the inner surface of the recess 12A.
  • the width D1 is substantially equal to the thickness T1 ⁇ 2
  • the recess 120A is formed on the outermost surface of the electric double layer 120 immediately above the recess 12A, for example, as shown in FIG.
  • the layout or density of the one or more recesses 12A is equal to each other for each electrode 12, as shown in FIG.
  • the width D1 and the depth of the recess 12A are preferably equal to each other.
  • FIG. 9 shows a modification of the cross-sectional configuration of the electrode 12.
  • FIG. 9 illustrates a state where the electric double layer 120 is formed on the surface of the electrode 12 (uneven surface 12S).
  • the electrode 12 may be configured by a plurality of electrode layers stacked on each other.
  • the electrode 12 may be a multilayer electrode in which a first electrode layer 121, a second electrode layer 122, and a third electrode layer 123 are stacked in this order from the substrate 11 side.
  • the second electrode layer for example, the second electrode layer from the top among the plurality of electrode layers (first electrode layer 121, second electrode layer 122, and third electrode layer 123).
  • the surface of the electrode layer 122) is preferably exposed.
  • the second electrode layer 122 is more specific than the third electrode layer 123 in contact with the upper surface of the second electrode layer 122.
  • the material is made of a material having a relatively low etching rate with respect to the etching gas.
  • FIG. 10 shows an example of the upper surface configuration of the recess 12A of the electrode 12 of FIGS.
  • the recess 12A may have a hole shape as shown in FIGS. 10 (A) and 10 (B).
  • the opening shape is circular.
  • the opening shape is rectangular.
  • the recess 12A in FIG. 10B it may have a hole shape.
  • the recess 12A may have a groove shape as shown in FIGS. 10C and 10D, for example.
  • the opening shape is rectangular.
  • the opening shape is a lattice shape.
  • FIG. 11A shows a cross-sectional configuration example for explaining a method for manufacturing the electrode 12.
  • FIG. 11B shows an example of a manufacturing process following FIG. 11A.
  • FIG. 11C shows an example of a manufacturing process following FIG. 11B.
  • a resist layer 200 in which one or more predetermined openings 200A are formed is formed on the surface of the single layer electrode 12.
  • the electrode 12 is selectively removed by dry etching using the resist layer 200 as a mask.
  • the resist layer 200 is removed by ashing.
  • the electrode 12 having the uneven surface 12S is manufactured.
  • the depths of the recesses 12A included in the uneven surface 12S are equal to each other.
  • FIG. 12A shows a cross-sectional configuration example for explaining a method for manufacturing the electrode 12.
  • FIG. 12B shows an example of a manufacturing process following FIG. 12A.
  • FIG. 12C illustrates an example of a manufacturing process subsequent to FIG. 12B.
  • a resist layer in which a predetermined one or a plurality of openings 200A are formed on the surface of the electrode 12 in which a plurality of electrode layers (first electrode layer 121, second electrode layer 122, and third electrode layer 123) are laminated. 200 is formed.
  • the uppermost layer (third electrode layer 123) of the electrodes 12 is selectively removed by dry etching using the resist layer 200 as a mask.
  • one or a plurality of recesses 12A are formed at predetermined positions in the uppermost layer (third electrode layer 123) of the electrodes 12.
  • an etching gas whose etching rate for the third electrode layer 123 in contact with the upper surface of the second electrode layer 122 is larger than that for the second electrode layer 122.
  • the surface of the second electrode layer 122 is exposed at the bottom surface of each recess 12 ⁇ / b> A, and the depth of each recess 12 ⁇ / b> A is equal to the thickness of the third electrode layer 123.
  • the resist layer 200 is removed by ashing. In this way, the electrode 12 having the uneven surface 12S is manufactured.
  • the combination of the material of the electrode 12 in FIG. 11A or the electrode 123 in FIG. 12A and the etching gas is as shown in Table 1 below, for example.
  • the electrode 12 may have a protective layer on the surface so that the surface does not directly touch the liquid sample.
  • the electrode 12 may have a protective layer 12D on the surface (uneven surface 12S).
  • the protective layer 12D covers the uneven surface 12S so as to follow the uneven surface 12S.
  • the width D1 of the one or more recesses 12A is wider than twice the thickness (the thickness T1 of the electric double layer 120 formed in contact with the uneven surface 12S + the thickness of the protective layer 24).
  • Examples of the material of the protective layer 12D include materials shown in Table 2 below.
  • the protective layer 12D preferably has conductivity.
  • the minute voltage generated from the liquid sample is, for example, about 50 to 60 mV, and the potential difference that can be detected by the potential sensor through the medium is, for example, only 10 mV or less. For this reason, it is preferable to prevent a minute potential difference, for example, about 10 mV or less from being buried in noise.
  • the electrochemical resistance is preferably as low as possible. For example, it is preferable that the electrochemical resistance be as uniform as possible for each electrode.
  • each electrode 12 is provided with an uneven surface 12S by patterning.
  • the width of the one or more recessed portions 12A included in the unevenness can be easily set to a desired size.
  • the width D1 of one or more recesses 12A included in the uneven surface 12S is wider than twice the thickness T1 of the electric double layer 120 formed in contact with the uneven surface 12S. Yes. Thereby, the electric double layer 120 can be formed following the uneven surface 12S.
  • the surface area of the electric double layer 120 can be increased as compared with the case where the uneven surface 12S is formed of a porous material, and the electrochemical resistance is reduced to such an extent that a minute potential difference is not buried in noise. be able to. Therefore, it is possible to suppress a minute potential difference from being buried in noise.
  • the layout or density of one or a plurality of recesses 12A is equal to each other for each electrode 12.
  • the surface area of the electric double layer 120 can be made more uniform for each electrode 12 as compared with the case where the uneven surface 12S is formed of a porous material.
  • the electrochemical resistance can be made uniform for each electrode to such an extent that a minute potential difference is not buried in noise. Therefore, it is possible to suppress a minute potential difference from being buried in noise.
  • the width D1 of one or more recesses 12A is such that the number of recesses 12A included in the uneven surface 12S and the recesses included in the surface of the electric double layer 120 formed in contact with the uneven surface 12S.
  • the size of 120A is equal to each other.
  • the depths of the recesses 12A can be made equal to each other.
  • the resistance values for each electrode 12 can be easily made uniform by forming all the recesses 12A by one dry etching.
  • this indication can take the following composition.
  • a potential detection substrate for detecting the potential of a liquid sample On the substrate, one or more electrodes, and a plurality of wirings connected to each of the electrodes, Each of the electrodes has a concavo-convex surface in which one or a plurality of concave portions are formed by patterning, The width of one or more of the recesses is wider than twice the thickness of the electric double layer formed in contact with the uneven surface.
  • each of the electrodes is composed of a plurality of electrode layers stacked on each other, The potential detection substrate according to any one of (1) to (4), wherein a surface of the second and subsequent electrode layers from among a plurality of the electrode layers is exposed on a bottom surface of each of the recesses. . (6) A protective layer covering the uneven surface so as to follow the uneven surface; The width of one or more of the recesses is wider than twice the thickness (the thickness of the electric double layer formed in contact with the uneven surface + the thickness of the protective layer).
  • a potential detection substrate for detecting the potential of a liquid sample On the substrate, a plurality of electrodes, and a plurality of wirings connected to each of the electrodes, Each of the electrodes has a concavo-convex surface having a plurality of concave portions formed by patterning, A potential detection substrate in which a layout or density of one or more of the recesses is equal to each other for each of the electrodes.
  • a potential detection substrate for detecting the potential of a liquid sample On the substrate, a plurality of electrodes, and a plurality of wirings connected to each of the electrodes, Each of the electrodes has a concavo-convex surface having a plurality of concave portions formed by patterning, The width of the one or more recesses is such that the number of the recesses included in the uneven surface is equal to the number of the recesses included in the surface of the electric double layer formed in contact with the uneven surface.
  • the potential detection board On the substrate, a plurality of electrodes, and a plurality of wirings connected to each of the electrodes, Each of the electrodes has a concavo-convex surface having a plurality of concave portions formed by patterning, The width of the one or more recesses is such that the number of the recesses included in the uneven surface is equal to the number of the recesses included in the surface of the electric double layer formed in contact with the uneven surface.
  • a potential detection substrate for detecting the potential of the liquid sample A signal processing unit that processes a potential signal detected by the potential detection substrate,
  • the potential detection substrate is On the substrate, having one or a plurality of electrodes and a plurality of wirings connected to each of the electrodes,
  • Each of the electrodes has a concavo-convex surface in which one or a plurality of concave portions are formed by patterning,
  • the width of the one or more recesses is wider than twice the thickness of the electric double layer formed in contact with the uneven surface.
  • a potential detection substrate for detecting the potential of the liquid sample A signal processing unit that processes a potential signal detected by the potential detection substrate, The potential detection substrate is On the substrate, have a plurality of electrodes and a plurality of wirings connected to each of the electrodes, Each of the electrodes has a concavo-convex surface in which one or a plurality of concave portions are formed by patterning, A potential measuring device in which the layout or density of one or more of the recesses is equal to each other for each of the electrodes.
  • a potential detection substrate for detecting the potential of the liquid sample A signal processing unit that processes a potential signal detected by the potential detection substrate, The potential detection substrate is On the substrate, have a plurality of electrodes and a plurality of wirings connected to each of the electrodes, Each of the electrodes has a concavo-convex surface in which one or a plurality of concave portions are formed by patterning, The width of the one or more recesses is such that the number of the recesses included in the uneven surface is equal to the number of the recesses included in the surface of the electric double layer formed in contact with the uneven surface.
  • a potential measuring device A potential measuring device.

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Abstract

本開示の一実施の形態に係る電位検出基板は、液体試料の電位を検出するためのものである。第１の電位検出基板は、基板上に、１または複数の電極と、各電極に接続された複数の配線とを備えている。各電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有している。１または複数の凹部の幅は、凹凸面に接して形成される電気二重層の厚さの２倍よりも広くなっている。

Description

電位検出基板および電位計測装置
　本開示は、電位検出基板、およびそれを備えた電位計測装置に関する。
　近年、液体試料の電気特性を測定し、その測定結果から液体試料の物性を判定したり、液体試料に含まれる細胞等の種類を判別したりすることが行われている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平１１－１８７８６５号公報 特開２００１－２８１２０１号公報
　液体試料から発生する微小電圧は、例えば、５０～６０ｍＶ程度であり、培地を介して電位センサで検知できる電位差は、例えば、わずか１０ｍＶ以下である。そのため、例えば１０ｍＶ以下程度といった、微小な電位差がノイズに埋もれてしまわないようにすることが好ましい。例えば、電気化学的な抵抗が、できるだけ低くなっていることが好ましい。また、例えば、電気化学的な抵抗が、できるだけ電極ごとに均一になっていることが好ましい。従って、微小な電位差がノイズに埋もれてしまうのを抑制することの可能な電位検出基板およびそれを備えた電位計測装置を提供することが望ましい。
　本開示の一実施形態に係る第１の電位検出基板は、液体試料の電位を検出するためのものである。第１の電位検出基板は、基板上に、１または複数の電極と、各電極に接続された複数の配線とを備えている。各電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有している。１または複数の凹部の幅は、凹凸面に接して形成される電気二重層の厚さの２倍よりも広くなっている。
　本開示の一実施形態に係る第１の電位計測装置は、液体試料の電位を検出するための電位検出基板と、電位検出基板で検出された電位信号を処理する信号処理部とを備えている。第１の電位計測装置において、電位検出基板は、上記の第１の電位検出基板と同一の構成要素を有している。
　本開示の一実施形態に係る第１の電位検出基板および第１の電位計測装置では、各電極に、パターニングによって凹凸面が形成されている。これにより、凹凸面を多孔質で形成した場合と比べて、凹凸に含まれる１または複数の凹部の幅を所望の大きさに容易に設定することができる。また、第１の電位検出基板および第１の電位計測装置では、凹凸面に含まれる１または複数の凹部の幅が、凹凸面に接して形成される電気二重層の厚さの２倍よりも広くなっている。これにより、凹凸面に倣って電気二重層を形成することができる。その結果、凹凸面を多孔質で形成した場合と比べて、電気二重層の表面積を大きくすることができる。
　本開示の一実施形態に係る第２の電位検出基板は、液体試料の電位を検出するためのものである。第２の電位検出基板は、基板上に、複数の電極と、各電極に接続された複数の配線とを備えている。各電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有している。１または複数の凹部のレイアウトもしくは密度が、電極ごとに互いに等しくなっている。
　本開示の一実施形態に係る第２の電位計測装置は、液体試料の電位を検出するための電位検出基板と、電位検出基板で検出された電位信号を処理する信号処理部とを備えている。第１の電位計測装置において、電位検出基板は、上記の第２の電位検出基板と同一の構成要素を有している。
　本開示の一実施形態に係る第２の電位検出基板および第２の電位計測装置では、各電極に、パターニングによって凹凸面が形成されている。これにより、凹凸面を多孔質で形成した場合と比べて、凹凸に含まれる１または複数の凹部の幅を所望の大きさに容易に設定することができる。また、第２の電位検出基板および第２の電位計測装置では、１または複数の凹部のレイアウトもしくは密度が、電極ごとに互いに等しくなっている。これにより、凹凸面を多孔質で形成した場合と比べて、電気二重層の表面積を電極ごとにより均一にすることができる。
　本開示の一実施形態に係る第３の電位検出基板は、液体試料の電位を検出するためのものである。第３の電位検出基板は、基板上に、複数の電極と、各電極に接続された複数の配線とを備えている。各電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有している。１または複数の凹部の幅は、凹凸面に含まれる凹部の数と、凹凸面に接して形成される電気二重層の表面に含まれる凹部の数とが互いに等しくなるような大きさとなっている。
　本開示の一実施形態に係る第３の電位計測装置は、細胞または薬液の電位を検出するための電位検出基板と、電位検出基板で検出された電位信号を処理する信号処理部とを備えている。第１の電位計測装置において、電位検出基板は、上記の第３の電位検出基板と同一の構成要素を有している。
　本開示の一実施形態に係る第３の電位検出基板および第３の電位計測装置では、各電極に、パターニングによって凹凸面が形成されている。これにより、凹凸面を多孔質で形成した場合と比べて、凹凸に含まれる複数の凹部の幅を所望の大きさに容易に設定することができる。また、第３の電位検出基板および第３の電位計測装置では、１または複数の凹部の幅が、凹凸面に含まれる凹部の数と、凹凸面に接して形成される電気二重層の表面に含まれる凹部の数とが互いに等しくなるような大きさとなっている。これにより、凹凸面を多孔質で形成した場合と比べて、電気二重層の表面積を大きくすることができる。
　本開示の一実施形態に係る第１および第３の電位検出基板、ならびに本開示の一実施形態に係る第１および第３の電位計測装置によれば、凹凸面を多孔質で形成した場合と比べて、電気二重層の表面積を大きくすることができるようにしたので、微小な電位差がノイズに埋もれてしまわない程度に電気化学的な抵抗を小さくすることができる。その結果、微小な電位差がノイズに埋もれてしまうのを抑制することができる。なお、本開示の効果は、ここに記載された効果に必ずしも限定されず、本明細書中に記載されたいずれの効果であってもよい。
　本開示の一実施形態に係る第１、第２および第３の電位検出基板、ならびに本開示の一実施形態に係る第１、第２および第３の電位計測装置によれば、凹凸面を多孔質で形成した場合と比べて、電気二重層の表面積を電極ごとにより均一にすることができるようにしたので、微小な電位差がノイズに埋もれてしまわない程度に、電気化学的な抵抗を、電極ごとに均一化することができる。その結果、微小な電位差がノイズに埋もれてしまうのを抑制することができる。なお、本開示の効果は、ここに記載された効果に必ずしも限定されず、本明細書中に記載されたいずれの効果であってもよい。
本開示の一実施の形態に係る電位計測装置の概略構成例を表す図である。 図１の電位検出基板の平面構成例を表す図である。 図２の電位検出基板の電極群部分を拡大して表す図である。 図２の電位検出基板の断面構成例を表す図である。 図３の電極の断面構成例を表す図である。 図３の電極の断面構成例を表す図である。 図３の電極の断面構成例を表す図である。 図３において互いに隣接する２つの電極の断面構成例を表す図である。 図３の電極の断面構成例を表す図である。 図５～図９の電極の凹部の上面構成例を表す図である。 図３の電極の製造方法について説明するための断面構成例を表す図である。 図１１Ａに続く製造工程の一例を表す図である。 図１１Ｂに続く製造工程の一例を表す図である。 図３の電極の製造方法について説明するための断面構成例を表す図である。 図１２Ａに続く製造工程の一例を表す図である。 図１２Ｂに続く製造工程の一例を表す図である。 図３の電極の一変形例を表す図である。
　以下、本開示を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比などについても、それらに限定されるものではない。
[構成]
　本開示の一実施の形態に係る電位計測装置１の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る電位計測装置１の概略構成例を表したものである。電位計測装置１は、例えば、液体試料の電位を計測し、その測定結果から液体試料の物性を判定したり、液体試料に含まれる細胞等の種類を判別したりするための装置である。液体試料に含まれる溶媒材料としては、例えば、ＮａＣｌを０．８～１．０Ｗ／Ｖ％の範囲で含む培養液が挙げられる。電位計測装置１は、例えば、液体試料の電位を検出するための電位検出基板１０と、電位検出基板１０で検出された電位信号１０Ａを処理する計測部信号処理部２０と、計測部信号処理部２０での処理結果を表示する表示部３０とを備えている。
　図２は、電位検出基板１の平面構成例を表したものである。図３は、電位検出基板１の電極群１２Ｅ（後述）部分を拡大して表したものである。図４は、電位検出基板１０の断面構成例を表したものである。
　電位検出基板１は、例えば、基板１１の上面の中央部分に電極群１２Ｅを備えている。電極群１２Ｅは、例えば、図３に示したように、所定の間隙を介して行列状に配置された複数の電極１２によって構成されている。電極群１２Ｅでは、例えば、６４個の電極１２が８×８のマトリックス状に配置されている。各電極１２のサイズは、例えば、約５０μｍ角である。互いに隣接する２つの電極１２の間隙は、例えば、約１５０μｍである。このときの電極群１２Ｅのサイズは、例えば、約１×１ｍｍ角である。また、電極群１２Ｅの周囲（例えば、図中の電極群１２Ｅの対角線方向）には、例えば、１または複数の参照電極が配置されている。
　電位検出基板１０は、例えば、基板１１上に、複数の電極１２と、各電極１２に１本ずつ接続された複数の配線１３と、各配線１３の先端部分に１つずつ接続されたパッド１５とを有している。各配線１３は、電極１２からの引き出し配線としての役割を有している。パッド１５は、電位検出基板１を外部回路に接続するための端子電極としての役割を有している。各配線１３において、一端が電極１２に接続されており、他端がパッド１５に接続されている。電位検出基板１０は、さらに、例えば、各配線１３のうち、電極１２の直下に対応する部分に下地層１４を備えていてもよい。下地層１４は、電極１２と配線１４との密着性を向上させるためのものであり、電極１２と配線１３との間に配置されている。
　図５、図６、図７は、電極１２の断面構成例を表したものである。なお、図５、図６、図７には、電極１２の表面（凹凸面１２Ｓ）に電気二重層１２０が形成されているときの様子が例示されている。電気二重層１２０とは、液体試料に含まれる正負のイオンによって各電極１２の表面に生じる層である。電気二重層１２０の厚さＴ１は、例えば、以下の式で表される。
Ｔ１＝√（ε0ε1ｋＴ）／２πｎｚ2ｅ2）
ε0：真空中の誘電率
ε1：媒質の比誘電率
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：温度
ｎ：イオン密度
ｚ：イオン価
ｅ：電気素量
　図８は、図３において互いに隣接する２つの電極１２の断面構成例を表したものである。なお、図８には、電極１２の表面（凹凸面１２Ｓ）に電気二重層１２０が形成されているときの様子が例示されている。
　各電極１２は、パターニングにより１または複数の凹部１２Ａが形成された凹凸面１２Ｓを有している。ここで、１または複数の凹部１２Ａの幅はＤ１、凹凸面１２Ｓに接して形成される電気二重層１２０の厚さＴ１の２倍よりも広くなっていることが好ましい。凹部１２Ａの断面形状は、特に限定されるものではない。凹部１２Ａの断面形状は、例えば、図５、図７、図８に示したように、矩形状となっていてもよいし、例えば、図６に示したように、楕円状となっていてもよい。各凹部１２Ａの深さは、互いに等しくなっていることが好ましい。
　１または複数の凹部１２Ａの幅Ｄ１は、凹凸面１２Ｓに含まれる凹部１２Ａの数と、凹凸面１２Ｓに接して形成される電気二重層１２０の表面に含まれる凹部１２０Ａの数とが互いに等しくなるような大きさとなっていることが好ましい。幅Ｄ１は、凹部１２Ａの開口端における幅を指している。凹部１２０Ａは、電気二重層１２０が凹部１２Ａの内面に倣って形成されたときに凹部１２Ａの内部に生じる。幅Ｄ１が厚さＴ１×２とほぼ等しいとき、凹部１２０Ａは、例えば、図７に示したように、電気二重層１２０のうち、凹部１２Ａの直上の最表面に形成される。
　互いに隣接する２つの電極１２に着目する。このとき、１または複数の凹部１２Ａのレイアウトもしくは密度が、例えば、図８に示したように、電極１２ごとに互いに等しくなっていることが好ましい。このとき、互いに隣接する２つの電極１２において、凹部１２Ａの幅Ｄ１および深さは互いに等しくなっていることが好ましい。
　図９は、電極１２の断面構成の一変形例を表したものである。なお、図９には、電極１２の表面（凹凸面１２Ｓ）に電気二重層１２０が形成されているときの様子が例示されている。電極１２は、互いに積層された複数の電極層によって構成されていてもよい。電極１２は、例えば、図９に示したように、第１電極層１２１、第２電極層１２２および第３電極層１２３が基板１１側からこの順で積層された多層電極であってもよい。このとき、各凹部１２Ａの底面には、複数の電極層（第１電極層１２１、第２電極層１２２および第３電極層１２３）のうち、上から２番目以降の電極層（例えば、第２電極層１２２）の表面が露出していることが好ましい。例えば、各凹部１２Ａの底面に、第２電極層１２２の表面が露出している場合、第２電極層１２２は、第２電極層１２２の上面に接する第３電極層１２３と比べて、特定のエッチングガスに対するエッチングレートが相対的に低い材料で構成されていることが好ましい。
　図１０は、図５～図９の電極１２の凹部１２Ａの上面構成例を表したものである。凹部１２Ａは、例えば、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）に示したように、孔形状となっていてもよい。このとき、図１０（Ａ）の凹部１２Ａにおいて、開口形状は、円形状となっている。また、図１０（Ｂ）の凹部１２Ａにおいて、開口形状は、矩形状となっている。例えば、図１０（Ｂ）に示したように、孔形状となっていてもよい。凹部１２Ａは、例えば、図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ）に示したように、溝形状となっていてもよい。このとき、図１０（Ｃ）の凹部１２Ａにおいて、開口形状は、矩形状となっている。また、図１０（Ｄ）の凹部１２Ａにおいて、開口形状は、格子状となっている。
[製造方法]
　次に、電極１２の製造方法の一例について説明する。図１１Ａは、電極１２の製造方法について説明するための断面構成例を表したものである。図１１Ｂは、図１１Ａに続く製造工程の一例を表したものである。図１１Ｃは、図１１Ｂに続く製造工程の一例を表したものである。まず、単層の電極１２の表面に、所定の１または複数の開口２００Ａが形成されたレジスト層２００を形成する。次に、レジスト層２００をマスクとして、ドライエッチングをすることにより、電極１２を選択的に除去する。その結果、所定の位置に、１または複数の凹部１２Ａが形成される。その後、アッシングにより、レジスト層２００を除去する。このようにして、凹凸面１２Ｓを有する電極１２が製造される。このとき、凹凸面１２Ｓに含まれる各凹部１２Ａの深さは、互いに等しくなっている。
　次に、電極１２の製造方法の他の例について説明する。図１２Ａは、電極１２の製造方法について説明するための断面構成例を表したものである。図１２Ｂは、図１２Ａに続く製造工程の一例を表したものである。図１２Ｃは、図１２Ｂに続く製造工程の一例を表したものである。まず、複数の電極層（第１電極層１２１、第２電極層１２２および第３電極層１２３）が積層されてなる電極１２の表面に、所定の１または複数の開口２００Ａが形成されたレジスト層２００を形成する。次に、レジスト層２００をマスクとして、ドライエッチングをすることにより、電極１２のうち最上層（第３電極層１２３）を選択的に除去する。その結果、電極１２のうち最上層（第３電極層１２３）において、所定の位置に、１または複数の凹部１２Ａが形成される。このとき、第２電極層１２２の上面に接する第３電極層１２３に対するエッチングレートが、第２電極層１２２に対するエッチングレートと比べて大きなエッチングガスを用いることが好ましい。そのようにした場合には、各凹部１２Ａの底面には、第２電極層１２２の表面が露出しており、各凹部１２Ａの深さは、第３電極層１２３の厚さと等しくなっている。その後、アッシングにより、レジスト層２００を除去する。このようにして、凹凸面１２Ｓを有する電極１２が製造される。
　なお、図１１Ａにおける電極１２もしくは図１２Ａにおける電極１２３の材料と、エッチングガスとの組み合わせは、例えば、以下の表１の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　なお、電極１２は、表面が直接、液体試料に触れないようにするために、表面に保護層を有していてもよい。電極１２は、例えば、図１３に示したように、表面（凹凸面１２Ｓ）に保護層１２Ｄを有していてもよい。保護層１２Ｄは、凹凸面１２Ｓに倣うように凹凸面１２Ｓを覆っている。このとき、１または複数の凹部１２Ａの幅Ｄ１は、（凹凸面１２Ｓに接して形成される電気二重層１２０の厚さＴ１＋保護層２４の厚さ）の２倍よりも広くなっていることが好ましい。保護層１２Ｄの材料としては、例えば、以下の表２に示した材料が挙げられる。保護層１２Ｄは、導電性を有していることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
[効果]
　次に、本実施の形態に係る電位検出基板１０の効果について説明する。
　近年、液体試料の電気特性を測定し、その測定結果から液体試料の物性を判定したり、液体試料に含まれる細胞等の種類を判別したりすることが行われている（例えば、特許文献１，２参照）。
　液体試料から発生する微小電圧は、例えば、５０～６０ｍＶ程度であり、培地を介して電位センサで検知できる電位差は、例えば、わずか１０ｍＶ以下である。そのため、例えば１０ｍＶ以下程度といった、微小な電位差がノイズに埋もれてしまわないようにすることが好ましい。例えば、電気化学的な抵抗が、できるだけ低くなっていることが好ましい。また、例えば、電気化学的な抵抗が、できるだけ電極ごとに均一になっていることが好ましい。
　一方、本実施の形態では、各電極１２に、パターニングによって凹凸面１２Ｓが形成されている。これにより、凹凸面１２Ｓを多孔質で形成した場合と比べて、凹凸に含まれる１または複数の凹部１２Ａの幅を所望の大きさに容易に設定することができる。また、本実施の形態では、凹凸面１２Ｓに含まれる１または複数の凹部１２Ａの幅Ｄ１が、凹凸面１２Ｓに接して形成される電気二重層１２０の厚さＴ１の２倍よりも広くなっている。これにより、凹凸面１２Ｓに倣って電気二重層１２０を形成することができる。その結果、凹凸面１２Ｓを多孔質で形成した場合と比べて、電気二重層１２０の表面積を大きくすることができ、微小な電位差がノイズに埋もれてしまわない程度に電気化学的な抵抗を小さくすることができる。従って、微小な電位差がノイズに埋もれてしまうのを抑制することができる。
　また、本実施の形態では、１または複数の凹部１２Ａのレイアウトもしくは密度が、電極１２ごとに互いに等しくなっている。これにより、凹凸面１２Ｓを多孔質で形成した場合と比べて、電気二重層１２０の表面積を電極１２ごとにより均一にすることができる。その結果、微小な電位差がノイズに埋もれてしまわない程度に、電気化学的な抵抗を、電極ごとに均一化することができる。従って、微小な電位差がノイズに埋もれてしまうのを抑制することができる。
　また、本実施の形態では、１または複数の凹部１２Ａの幅Ｄ１が、凹凸面１２Ｓに含まれる凹部１２Ａの数と、凹凸面１２Ｓに接して形成される電気二重層１２０の表面に含まれる凹部１２０Ａの数とが互いに等しくなるような大きさとなっている。これにより、凹凸面１２Ｓを多孔質で形成した場合と比べて、電気二重層１２０の表面積を大きくすることができ、微小な電位差がノイズに埋もれてしまわない程度に電気化学的な抵抗を小さくすることができる。従って、微小な電位差がノイズに埋もれてしまうのを抑制することができる。
　また、本実施の形態において、全ての凹部１２Ａを一度のドライエッチングで形成するようにした場合には、各凹部１２Ａの深さを互いに等しくすることができる。このように、本実施の形態において、全ての凹部１２Ａを一度のドライエッチングで形成することにより、電極１２ごとの抵抗値を容易に均一にすることができる。
　以上、複数の実施の形態およびそれらの変形例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記各実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示である。本開示の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されるものではない。本開示が、本明細書中に記載された効果以外の効果を持っていてもよい。
　また、例えば、本開示は以下のような構成を取ることができる。
（１）
　液体試料の電位を検出するための電位検出基板であって、
　基板上に、１または複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを備え、
　各前記電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
　１または複数の前記凹部の幅は、前記凹凸面に接して形成される電気二重層の厚さの２倍よりも広くなっている
　電位検出基板。
（２）
　１または複数の前記凹部のレイアウトもしくは密度が、前記電極ごとに互いに等しくなっている
　（１）に記載の電位検出基板。
（３）
　前記凹部は、孔形状となっている
　（１）または（２）に記載の電位検出基板。
（４）
　前記凹部は、溝形状となっている
　（１）または（２）に記載の電位検出基板。
（５）
　各前記電極は、互いに積層された複数の電極層により構成され、
　各前記凹部の底面には、複数の前記電極層のうち、上から２番目以降の前記電極層の表面が露出している
　（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の電位検出基板。
（６）
　前記凹凸面に倣うように前記凹凸面を覆う保護層をさらに備え、
　１または複数の前記凹部の幅は、（前記凹凸面に接して形成される電気二重層の厚さ＋前記保護層の厚さ）の２倍よりも広くなっている
　（１）ないし（５）のいずれか１つに記載の電位検出基板。
（７）
　前記保護層は、導電性を有している
　（６）に記載の電位検出基板。
（８）
　液体試料の電位を検出するための電位検出基板であって、
　基板上に、複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを備え、
　各前記電極は、パターニングにより複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
　１または複数の前記凹部のレイアウトもしくは密度が、前記電極ごとに互いに等しくなっている
　電位検出基板。
（９）
　液体試料の電位を検出するための電位検出基板であって、
　基板上に、複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを備え、
　各前記電極は、パターニングにより複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
　１または複数の前記凹部の幅は、前記凹凸面に含まれる前記凹部の数と、前記凹凸面に接して形成される電気二重層の表面に含まれる凹部の数とが互いに等しくなるような大きさとなっている
　電位検出基板。
（１０）
　液体試料の電位を検出するための電位検出基板と、
　前記電位検出基板で検出された電位信号を処理する信号処理部と
　を備え、
　前記電位検出基板は、
　基板上に、１または複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを有し、
　各前記電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
　１または複数の前記凹部の幅は、前記凹凸面に接して形成される電気二重層の厚さの２倍よりも広くなっている
　電位計測装置。
（１１）
　液体試料の電位を検出するための電位検出基板と、
　前記電位検出基板で検出された電位信号を処理する信号処理部と
　を備え、
　前記電位検出基板は、
　基板上に、複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを有し、
　各前記電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
　１または複数の前記凹部のレイアウトもしくは密度が、前記電極ごとに互いに等しくなっている
　電位計測装置。
（１２）
　液体試料の電位を検出するための電位検出基板と、
　前記電位検出基板で検出された電位信号を処理する信号処理部と
　を備え、
　前記電位検出基板は、
　基板上に、複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを有し、
　各前記電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
　１または複数の前記凹部の幅は、前記凹凸面に含まれる前記凹部の数と、前記凹凸面に接して形成される電気二重層の表面に含まれる凹部の数とが互いに等しくなるような大きさとなっている
　電位計測装置。
　本出願は、日本国特許庁において２０１６年１０月１４日に出願された日本特許出願番号第２０１６－２０２３７３号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (12)

  1. 　液体試料の電位を検出するための電位検出基板であって、
    　基板上に、１または複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを備え、
    　各前記電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
    　１または複数の前記凹部の幅は、前記凹凸面に接して形成される電気二重層の厚さの２倍よりも広くなっている
    　電位検出基板。
  2. 　１または複数の前記凹部のレイアウトもしくは密度が、前記電極ごとに互いに等しくなっている
    　請求項１に記載の電位検出基板。
  3. 　前記凹部は、孔形状となっている
    　請求項１に記載の電位検出基板。
  4. 　前記凹部は、溝形状となっている
    　請求項１に記載の電位検出基板。
  5. 　各前記電極は、互いに積層された複数の電極層により構成され、
    　各前記凹部の底面には、複数の前記電極層のうち、上から２番目以降の前記電極層の表面が露出している
    　請求項１に記載の電位検出基板。
  6. 　前記凹凸面に倣うように前記凹凸面を覆う保護層をさらに備え、
    　１または複数の前記凹部の幅は、（前記凹凸面に接して形成される電気二重層の厚さ＋前記保護層の厚さ）の２倍よりも広くなっている
    　請求項１に記載の電位検出基板。
  7. 　前記保護層は、導電性を有している
    　請求項６に記載の電位検出基板。
  8. 　液体試料の電位を検出するための電位検出基板であって、
    　基板上に、複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを備え、
    　各前記電極は、パターニングにより複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
    　１または複数の前記凹部のレイアウトもしくは密度が、前記電極ごとに互いに等しくなっている
    　電位検出基板。
  9. 　液体試料の電位を検出するための電位検出基板であって、
    　基板上に、複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを備え、
    　各前記電極は、パターニングにより複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
    　１または複数の前記凹部の幅は、前記凹凸面に含まれる前記凹部の数と、前記凹凸面に接して形成される電気二重層の表面に含まれる凹部の数とが互いに等しくなるような大きさとなっている
    　電位検出基板。
  10. 　液体試料の電位を検出するための電位検出基板と、
    　前記電位検出基板で検出された電位信号を処理する信号処理部と
    　を備え、
    　前記電位検出基板は、
    　基板上に、１または複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを有し、
    　各前記電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
    　１または複数の前記凹部の幅は、前記凹凸面に接して形成される電気二重層の厚さの２倍よりも広くなっている
    　電位計測装置。
  11. 　液体試料の電位を検出するための電位検出基板と、
    　前記電位検出基板で検出された電位信号を処理する信号処理部と
    　を備え、
    　前記電位検出基板は、
    　基板上に、複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを有し、
    　各前記電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
    　１または複数の前記凹部のレイアウトもしくは密度が、前記電極ごとに互いに等しくなっている
    　電位計測装置。
  12. 　液体試料の電位を検出するための電位検出基板と、
    　前記電位検出基板で検出された電位信号を処理する信号処理部と
    　を備え、
    　前記電位検出基板は、
    　基板上に、複数の電極と、各前記電極に接続された複数の配線とを有し、
    　各前記電極は、パターニングにより１または複数の凹部が形成された凹凸面を有し、
    　１または複数の前記凹部の幅は、前記凹凸面に含まれる前記凹部の数と、前記凹凸面に接して形成される電気二重層の表面に含まれる凹部の数とが互いに等しくなるような大きさとなっている
    　電位計測装置。
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